《光学测试技术》实验指导书深圳大学光电工程学院2016年12月
《光学测试技术》实验指导书 深圳大学光电工程学院 2016 年 12 月
目录实验一光散斑的性质及测试实验实验二面内位移的散斑测量实验4实验三物体形变的散斑测量实验实验四激光干涉精密测量实验实验五激光衍射计量技术实验，12实验六巴伸特原理及细丝直径测量实验.15实验七激光共焦三维测量实验17实验八光学傅里叶变换及图像处理方法实验20
目录 实验一 光散斑的性质及测试实验 . 1 实验二 面内位移的散斑测量实验 . 4 实验三 物体形变的散斑测量实验 . 6 实验四 激光干涉精密测量实验. 9 实验五 激光衍射计量技术实验. 12 实验六 巴俾特原理及细丝直径测量实验. 15 实验七 激光共焦三维测量实验. 17 实验八 光学傅里叶变换及图像处理方法实验 . 20
实验一光散斑的性质及测试实验实验目的一、1.了解散斑的性质及特点2.掌握散斑的测试方法实验原理二、激光散斑的基本概念：激光自散射体的表面漫反射或通过一个透明散射体（例如毛玻璃）时，在散射表面或附近的光场中可以观察到一种无规分布的亮暗斑点，称为激光散斑（LaserSpeckles）或斑纹。如果散射体足够粗糙，这种分布所形成的图样是非常特殊和美丽的（对比度为1）。激光散斑是由无规散射体被相干光照射产生的，因此是一种随机过程。要研究它必须使用概率统计的方法。通过统计方法的研究，可以得到对散斑的强度分布、对比度和散斑运动规律等特点的认识。X1小X艺?Z图1光散斑的产生（图中为透射式，也可以是反射式的情形）图1说明激光散斑具体的产生过程。当激光照射在粗糙表面上时，表面上的每一点都要散射光。因此在空间各点都要接受到来自物体上各个点散射的光，这些光虽然是相干的，但它们的振幅和位相都不相同，而且是无规分布的。来自粗糙表面上各个小面积元射来的基元光波的复振幅互相迭加，形成一定的统计分布。颗粒的大小，可用它的平均直径来表示，而颗粒尺寸的严格定义是两相邻亮斑间距离的1
1 实验一 光散斑的性质及测试实验 一、 实验目的 1．了解散斑的性质及特点 2．掌握散斑的测试方法 二、 实验原理 激光散斑的基本概念：激光自散射体的表面漫反射或通过一个透明散射体 （例如毛玻璃）时，在散射表面或附近的光场中可以观察到一种无规分布的亮暗斑 点，称为激光散斑（Laser Speckles）或斑纹。如果散射体足够粗糙，这种分布所 形成的图样是非常特殊和美丽的（对比度为 1）。 激光散斑是由无规散射体被相干光照射产生的，因此是一种随机过程。要研究 它必须使用概率统计的方法。通过统计方法的研究，可以得到对散斑的强度分布、 对比度和散斑运动规律等特点的认识。 图 1 光散斑的产生(图中为透射式，也可以是反射式的情形) 图 1 说明激光散斑具体的产生过程。当激光照射在粗糙表面上时，表面上的每 一点都要散射光。因此在空间各点都要接受到来自物体上各个点散射的光，这些光 虽然是相干的，但它们的振幅和位相都不相同，而且是无规分布的。来自粗糙表面 上各个小面积元射来的基元光波的复振幅互相迭加，形成一定的统计分布。颗粒的 大小，可用它的平均直径来表示，而颗粒尺寸的严格定义是两相邻亮斑间距离 的
统计平均值。此值由产生散斑的激光波长入及粗糙表面圆形照明区域对该散斑的孔径角u’所决定，即若经过一个光学系统，在它的像平面上形成的散斑，称为成像散斑，则0.620.62GSWA在斑干涉技术中，常常应用成像散斑来进行测量。散斑的基本性质：1：散斑与均勾场的相干结合，散斑图与相应的单独散斑图分布差别不大，只是全暗光斑较少一些2.散斑与均匀场的不相干叠加，没有全暗散斑3.两个散斑场的相干相加，散斑的大小没有明显变化4．两个散斑场的非相干相加，没有全暗光斑三、实验器材光电实验平台、电脑四、实验光路图.招光威CMOSA机a-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑，g-分光棱镜，k-衰减片，i，j-反射机构五、实验步骤1.开机，激光器a通电，待光强稳定；2.按实验光路图布置好光路，扩束激光：3.在反射机构i，上安装反射镜；2
2 统计平均值。此值由产生散斑的激光波长λ及粗糙表面圆形照明区域对该散斑的孔 径角 u’所决定，即 若经过一个光学系统，在它的像平面上形成的散斑，称为成像散斑，则 在斑干涉技术中，常常应用成像散斑来进行测量。 散斑的基本性质： 1． 散斑与均匀场的相干结合，散斑图与相应的单独散斑图分布差别不大，只 是全暗光 斑较少一些 2． 散斑与均匀场的不相干叠加，没有全暗散斑 3． 两个散斑场的相干相加，散斑的大小没有明显变化 4． 两个散斑场的非相干相加，没有全暗光斑 三、 实验器材 光电实验平台、电脑 四、 实验光路图 a-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑， g-分光棱镜，k-衰减片，i,j-反射机构 五、 实验步骤 1. 开机，激光器 a 通电，待光强稳定； 2. 按实验光路图布置好光路，扩束激光； 3. 在反射机构 i,上安装反射镜；
4.调节反射机构及分光棱镜，使得激光照射进数字相机o；5.运行实验软件，选择实验一，点击“采集”，使得数字相机工作，移动数字相机0，使散斑图案清晰；6.更换反射机构i上的反射器件（反射镜，铜片，铝片），观察散斑图案，并保存记录；材质散斑图铜片散斑图铝片散斑图3
3 4. 调节反射机构及分光棱镜，使得激光照射进数字相机 o； 5. 运行实验软件，选择实验一，点击“采集”，使得数字相机工作，移动数字 相机 o，使散斑图案清晰； 6. 更换反射机构 i 上的反射器件（反射镜，铜片，铝片），观察散斑图案，并 保存记录； 材质 散斑图 铜片散斑图 铝片散斑图
实验二面内位移的散斑测量实验实验目的、1.掌握散斑测量平面位移的基本原理2.进行面内位移的散斑测量，对散斑测量形成定性认识二、实验原理当物体发生位移时，引起前方空间散斑场分布的变化，通过测量散斑场的变化，从而得到物体位移的相关信息。测量面内位移的原理见图1。实际测量时，以单束激光S照射物体U的表面，在物体前方空间将充满散斑，取相机靶面平行物平面的位置。当物体发生位移时，空间散斑颗粒也发生位移，则空间散斑在数字相机靶面上也同样发生位移，在电脑中分别记录下物体位移前后的空间散斑图。在位移前散斑图上，取散斑某子区，将其在位移后的数字散斑图上进行相关搜索，由相关系数的最大值求出位移值。SOUiPPp1P图1散斑面内位移测量原理图三、实验器材光电实验平台、电脑四、实验光路图4
4 实验二 面内位移的散斑测量实验 一、 实验目的 1. 掌握散斑测量平面位移的基本原理 2. 进行面内位移的散斑测量, 对散斑测量形成定性认识 二、 实验原理 当物体发生位移时，引起前方空间散斑场分布的变化，通过测量散斑场的变 化，从而得 到物体位移的相关信息。测量面内位移的原理见图 1。实际测量时， 以单束激光 S 照射物体 U 的表面，在物体前方空间将充满散斑，取相机靶面平行 物平面的位置。当物体发生位移时，空间散斑颗粒也发生位移，则空间散斑在数字 相机靶面上也同样发生位移，在电脑中分别记录下物体位移前后的空间散斑图。在 位移前散斑图上，取散斑某子区，将其在位移后的数字散斑图上进行相关搜索，由 相关系数的最大值求出位移值。 图 1 散斑面内位移测量原理图 三、 实验器材 光电实验平台、电脑 四、 实验光路图
-CMOSII机a-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑，g-分光棱镜，i-反射机构，o-数字相机实验步骤五、1.开机，激光器a通电，待光强稳定；2.按实验光路图布置好光路，扩束激光；3.在反射机构i，上安装反射镜；4.调节反射机构及分光棱镜，使得激光照射进数字相机o；5.运行实验软件，选择实验二，点击“采集”，使得数字相机工作，移动数字相机o，使散斑图案清晰；6.将反射机构i上的反射器件替换为铝片，观察散斑图案，并保存图片；7.向任意方向轻移反射器件，观察散斑图案，并保存图片8.点击“数据处理”，在软件数据处理界面，分别点击“读取原始图像”、“读取位移图像”，选择开始保存的位移前后两幅图。点击“原始图像”“位移图像”按键可以分别观察读入图片是否正确。9.点击“散斑计算”，记录计算出的结果。10.重复6-9，多测几组数据并记录。5
5 a-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑， g-分光棱镜， i-反射机构，o-数字相机 五、 实验步骤 1. 开机，激光器 a 通电，待光强稳定； 2. 按实验光路图布置好光路，扩束激光； 3. 在反射机构 i,上安装反射镜； 4. 调节反射机构及分光棱镜，使得激光照射进数字相机 o； 5. 运行实验软件，选择实验二，点击“采集”，使得数字相机工作，移动数字 相机 o，使散斑图案清晰； 6. 将反射机构 i 上的反射器件替换为铝片，观察散斑图案，并保存图片； 7. 向任意方向轻移反射器件，观察散斑图案，并保存图片 8. 点击“数据处理”，在软件数据处理界面，分别点击“读取原始图像”、“读 取位移图像”，选择开始保存的位移前后两幅图。点击“原始图像”“位移图像” 按键可以分别观察读入图片是否正确。 9. 点击“散斑计算”，记录计算出的结果。 10. 重复 6-9，多测几组数据并记录
实验三物体形变的散斑测量实验实验目的1.了解电子散斑干涉原理2.进行形变的散斑测量实验原理二、测量形变的原理见图1。M1是被测面，反射后的激光为物光，M2是参考面反射后的激光为参考光。物光和参考光在像面PP1上形成散斑干涉图。BoBiM被测面（粗糙面）激光MPPi图1形变测量原理图物光的光强分布为：(1)U。(r)= u.(r)expΦ。(r)其中u(r)是光波的振幅，Φ。(r)是经物体漫射后的物体光波的相位。参考光的光强分布为：(2)Ur(r)= ur(r)expdr(r)物光与参考光在CCD靶面上汇合形成光强I(r)为：(3)I(r)=u。+ur+2u.urcos(。-中R)当被测物体发生变形后，表面各点的散斑场振幅u。(n)基本不变，而位相。(r)将改变为。(r)-(r)，即(4)U。= u。(r)exp[8(r)- Ag(r)]其中Φ（r）为由于物体变形产生的相位变化。变形前后的参考光波维持不变。这样，变形后的合成光强I(r)为：(5)I'(r)= u。 +ur + 2u.ur cos[。-Φr -△p(r))对变形前后的两个光强进行相减处理：6
6 实验三 物体形变的散斑测量实验 一、 实验目的 1. 了解电子散斑干涉原理 2. 进行形变的散斑测量 二、 实验原理 测量形变的原理见图 1。M1 是被测面，反射后的激光为物光， M2 是参考面， 反射后的激光为参考光。物光和参考光在像面 PP1上形成散斑干涉图。 图 1 形变测量原理图 物光的光强分布为： U (r) u (r) exp (r) o = o Φo (1) 其中 ( ) 0 u r 是光波的振幅， ( ) 0 Φ r 是经物体漫射后的物体光波的相位。 参考光的光强分布为： UR (r) = uR (r)expΦR (r) (2) 物光与参考光在 CCD 靶面上汇合形成光强 I(r)为： ( ) 2 cos( ) 2 2 o R o R o R I r = u + u + u u φ − φ (3) 当被测物体发生变形后，表面各点的散斑场振幅u (r) o 基本不变，而位相 (r) φ o 将 改变为 (r) (r) φ o − Δφ ，即 ( ) exp[ ( ) ( )] ' U u r r r O = o φ o − Δφ (4) 其中ΔФ（r）为由于物体变形产生的相位变化。 变形前后的参考光波维持不变。这样，变形后的合成光强 ( ) ' I r 为： ( ) 2 cos[ ( )] ' 2 2 I r u u u u r = o + R + o R φ o − φ R − Δφ (5) 对变形前后的两个光强进行相减处理：
1 =|1(r)- 1(r)=u。+ur +2u.urcos[p。-ΦR-Ap(r)]-[u。+ur +2u.urcos(g。-R)]=4u.ur sin (0。 R)-0( sin 0()(6)12」2由式（6)可见，相减处理后的光强是一个包含有高频载波项A(r)l的低频条纹sin()。该低频条纹取决于物体变形引起的光sin(g。-Φr)- 22波相位改变。这个光波相位变化与物体变形关系从光波传播的理论可以推导出来，即有：g=[d(+coso)+d, sino)](7)元其中入是所用激光波长，θ是照明光与物体表面法线的夹角，d是物体变形的离面位移，d是物体变形的面内方向位移。为了使光路对离面位移敏感，应该使照明角θ比较小，即cosθ~1,sinθ~0，则由（7）式可以得到：4元d(8)Ap=1有（6)式可知，在暗条纹处：(9)Ag=2k元由(8)式和（9）式可得到：kad, =(10)2即暗条纹处的离面位移是半波长的整数倍。三、实验器材光电实验平台、电脑四、实验光路图.7
7 ( ) ( ) ' I = I r − I r = 2 cos[ ] ( ) [ 2 cos( )] 2 2 2 2 o R o R o R uo uR uouR o R u + u + u u φ −φ − Δφ r − + + φ −φ = 2 ( ) sin 2 ( ) 4 sin ( ) r r u uo R o R ϕ ϕ φ φ Δ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ Δ − − (6) 由 式 (6) 可 见 ， 相 减 处 理 后 的 光强是一个包含有高频载波项 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ Δ − − 2 ( ) sin ( ) r o R ϕ φ φ 的低频条纹 2 ( ) sin Δϕ r 。该低频条纹取决于物体变形引起的光 波相位改变。 这个光波相位变化与物体变形关系从光波传播的理论可以推导出来，即有： [ ] θ θ λ π φ (1 cos ) sin 2 1 2 Δ = d + + d (7) 其中λ 是所用激光波长，θ 是照明光与物体表面法线的夹角， 1 d 是物体变形的 离面位移， 2 d 是物体变形的面内方向位移。 为了使光路对离面位移敏感，应该使照明角θ 比较小，即cosθ ≈ 1,sinθ ≈ 0 ，则 由（7）式可以得到： 1 4 d λ π Δφ = (8) 有(6)式可知，在暗条纹处， Δφ = 2kπ (9) 由(8)式和（9）式可得到： 2 1 kλ d = （10） 即暗条纹处的离面位移是半波长的整数倍。 三、 实验器材 光电实验平台、电脑 四、 实验光路图
H光版CMOSAI机La-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑，g-分光棱镜，k-衰减片，i,j-反射机构，o-数字相机五、实验步骤1.开机，激光器a通电，待光强稳定；2.按实验光路图布置好光路，扩束激光：3.在反射机构i，j上安装反射镜；4.调节反射机构及分光棱镜，使得激光照射进数字相机o；5.运行实验软件，选择实验三，点击“采集”，使得数字相机工作，移动数字相机o，使散斑图案清晰：6.更换反射机构i上的反射器件（铜片或者铝片），在参考光光路加入衰减器件k，适当调节被测物角度，使得物光和参考光光强大致相等，观察散斑图案，采集并保存此时相机上的图像：7．微调被测物角度，采集并保存变化后相机上的图像：8.重复上步骤5次，进入到实验软件数据处理界面；9.单机“原始图样”，按照路径选原始图片，再点击“位移图样”，按照路径选择微调后图片；10.点击“散斑计算”，进行计算。所得到的偏转角为被测物旋转角度的绝对值。8
8 a-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑，g-分光 棱镜，k-衰减片，i,j-反射机构，o-数字相机 五、 实验步骤 1. 开机，激光器 a 通电，待光强稳定； 2. 按实验光路图布置好光路，扩束激光； 3. 在反射机构 i,j 上安装反射镜； 4. 调节反射机构及分光棱镜，使得激光照射进数字相机 o； 5. 运行实验软件，选择实验三，点击“采集”，使得数字相机工作，移动数 字相机 o，使散斑图案清晰； 6. 更换反射机构 i 上的反射器件（铜片或者铝片），在参考光光路加入衰减 器件 k, 适当调节被测物角度，使得物光和参考光光强大致相等，观察散斑图 案，采集并保存此时相机上的图像； 7. 微调被测物角度，采集并保存变化后相机上的图像； 8. 重复上步骤 5 次，进入到实验软件数据处理界面； 9. 单机“原始图样”，按照路径选择原始图片，再点击“位移图样”，按照路 径选择微调后图片； 10. 点击“散斑计算”，进行计算。所得到的偏转角为被测物旋转角度的绝对 值